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文檔簡(jiǎn)介
第二章氧化
硅熱氧化2.1引言
■氧化是一種自然現(xiàn)象鐵、銅、銀等金屬的自然氧化
硅、硫、磷等非金屬的自然氧化
Si的自然氧化層很薄在40埃左右氧化是硅基集成電路的基礎(chǔ)工藝之一氧化的目的:保護(hù)硅片表面器件隔離屏蔽摻雜形成電介質(zhì)層2.2氧化原理硅熱氧化的概念:氧分子或水分子在高溫下與硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并在硅片表面生長(zhǎng)氧化硅的過(guò)程。熱氧化分為干氧、濕氧、水汽氧化,其化學(xué)反應(yīng)式:■干氧氧化:Si+O2→SiO2■濕氧氧化:Si+H2O+O2→SiO2+H2■水汽氧化:Si+H2O→SiO2+H2■
硅的氧化溫度:750℃~1100℃氧化系統(tǒng)氧化劑(氧分子或水分子)通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)Si與Si02界面同Si發(fā)生反應(yīng),其過(guò)程如下:1.氧化劑擴(kuò)散穿過(guò)滯留層達(dá)到SiO2表面,其流密度為F1;2.氧化劑擴(kuò)散穿過(guò)SiO2層達(dá)到SiO2-Si界面,流密度為F2;3.氧化劑在Si表面與Si反應(yīng)生成SiO2,流密度為F3;4.反應(yīng)的副產(chǎn)物離開(kāi)界面。氧化過(guò)程氧化物生長(zhǎng)速率氧化層生長(zhǎng)第一階段(≤150?
)線(xiàn)性:氧化層生長(zhǎng)第二階段(>150?)拋物線(xiàn)生長(zhǎng)階段:其中X為氧化層厚度B/A為線(xiàn)性速率系數(shù)、B為拋物線(xiàn)速率系數(shù)t為生長(zhǎng)時(shí)間B/A和B與溫度、氧化劑濃度,反應(yīng)室壓力等因素有關(guān)。氧化物生長(zhǎng)曲線(xiàn)影響二氧化硅生長(zhǎng)的因素氧化溫度:氧化時(shí)間:摻雜效應(yīng):重?fù)诫s的硅要比輕摻雜的氧化速率快硅片晶向:<111>硅單晶的氧化速率比<100>稍快反應(yīng)室的壓力:壓力越高氧化速率越快氧化方式:濕氧氧化比干氧氧化速度快常規(guī)氧化工藝硅片清洗(除去硅片上的各種沾污)進(jìn)片/出片(進(jìn)出850℃溫區(qū)的速度:5cm/分)質(zhì)量檢查(厚度及其均勻性、表面缺陷、固定和可動(dòng)電荷的檢測(cè))SiO2厚度大約600nm左右
常規(guī)氧化程序曲線(xiàn)常規(guī)氧化工藝濕氧氧化水汽產(chǎn)生裝置氫氧合成氧化工藝氫氧合成產(chǎn)生水分子替代去離子水加熱產(chǎn)生的水分子。氫氧合成的化學(xué)反應(yīng)方程式:2H2+O2=2H2O(氫氧合成溫度≥750℃)氫氧合成工藝中,特別注意H2與O2的流量比!熱生長(zhǎng)SiO2–Si系統(tǒng)中的實(shí)際電荷情況熱生長(zhǎng)SiO2–Si系統(tǒng)在實(shí)際的SiO2–Si系統(tǒng)中,存在四種電荷:1.
可動(dòng)電荷:指Na+、K+離子,來(lái)源于工藝中的化學(xué)試劑、器皿和各種沾污等。2.固定電荷:指位于SiO2–Si界面2nm以?xún)?nèi)的過(guò)剩硅離子,可采用摻氯氧化降低。3.界面態(tài):指界面陷阱電荷(缺陷、懸掛鍵),可以采用氫氣退火降低。4.陷阱電荷:由輻射產(chǎn)生。熱生長(zhǎng)SiO2–Si系統(tǒng)在氧化工藝中,通常在氧化系統(tǒng)中通入少量的HCl氣體(濃度在3%以下)以改善SiO2的質(zhì)量。其優(yōu)點(diǎn):
1、氯離子進(jìn)入SiO2-Si界面與正電荷中和以減少界面處的電荷積累
2、氧化前通入氯氣處理氧化系統(tǒng)以減少可動(dòng)離子沾污摻氯氧化工藝不摻氯熱氧化層
1.可動(dòng)電荷(主要是Na+離子)密度:
3×1012~1×1013/cm22.固定電荷密度:1×1012/cm2摻氯熱氧化層
1.可動(dòng)電荷(主要是Na+離子)密度:
2×1010~1×1011/cm22.固定電荷密度:(1~3)×1011/cm2不摻氯和摻氯氧化層電荷密度的對(duì)比氧化消耗硅
氧化前
氧化后■氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的45%左右選擇性氧化:常用于硅的局部場(chǎng)氧化LOCOS
(LOCalOxidationofSilicon)氧化前氧化后三種熱氧化層質(zhì)量對(duì)比質(zhì)量氧化水溫氧化速率均勻性重復(fù)性結(jié)構(gòu)掩蔽性干氧氧化慢好致密好濕氧氧化95℃快較好適中基本滿(mǎn)足水汽氧化102℃最快差疏松較差1.結(jié)構(gòu)及質(zhì)量:熱生長(zhǎng)的比沉積的結(jié)構(gòu)致密,質(zhì)量好。2.成膜溫度:熱生長(zhǎng)的比沉積的溫度高。沉積氧化層可在400℃獲得,在金屬布線(xiàn)形成后進(jìn)行,做為金屬之間的層間介質(zhì)和頂層鈍化層。3.硅消耗:熱生長(zhǎng)的消耗硅,沉積的不消耗硅。熱生長(zhǎng)氧化層與沉積氧化層的區(qū)別
SiO2層的質(zhì)量檢查氧化層表面缺陷的檢查目檢和使用100倍~500倍的顯微鏡檢查氧化層厚度及其均勻性的測(cè)量利用光學(xué)干涉原理使用膜厚儀、橢偏儀等儀器測(cè)量氧化層固定離子電荷和可動(dòng)離子電荷的測(cè)量使用C-V測(cè)試儀檢測(cè)■通過(guò)顏色的不同可估算SiO2層厚度
2.3SiO2結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途SiO2的原子結(jié)構(gòu):屬于非晶體、無(wú)定形結(jié)構(gòu),Si-O四面體在空間無(wú)規(guī)則排列。物理性質(zhì)SiSiO2比重(g/cm3)2.232.20禁帶寬度(eV)1.12~8相對(duì)介電常數(shù)11.73.9熔點(diǎn)(℃)14171700熱導(dǎo)(W/cm.k)1.50.01擊穿場(chǎng)強(qiáng)(V/cm)3×1056×106
■
SiO2的物理性質(zhì)SiO2的化學(xué)性質(zhì)
SiO2的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定,僅被氫氟酸(HF)腐蝕SiO2在集成電路中的用途1.柵氧層:做MOS結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)層(熱生長(zhǎng))2.場(chǎng)氧層:限制帶電載流子的場(chǎng)區(qū)隔離(熱生長(zhǎng)或沉積)3.保護(hù)層:保護(hù)器件以免劃傷和離子沾污(熱生長(zhǎng))4.注入阻擋層:局部離子注入摻雜時(shí),阻擋注入摻雜(熱生長(zhǎng))5.墊氧層:減小氮化硅與硅之間應(yīng)力(熱生長(zhǎng))6.注入緩沖層:減小離子注入損傷及溝道效應(yīng)(熱生長(zhǎng))7.層間介質(zhì):用于導(dǎo)電金屬之間的絕緣(沉積)1.柵氧層:熱生長(zhǎng)方法形成2.場(chǎng)氧層STI(ShallowTrenchIsolation)用CVD方法形成
厚度2500-15000?NMOS閾值電壓公式2.場(chǎng)氧層LOCOS隔離用熱生長(zhǎng)法形成
厚度2500-15000?NMOS閾值電壓公式3.保護(hù)層:保護(hù)有源器件和硅表面免受后續(xù)工藝的影響用熱生長(zhǎng)法形成4.注入阻擋層:作為注入或擴(kuò)散摻雜雜質(zhì)到硅中的掩蔽材料用熱生長(zhǎng)法形成5.墊氧層用于減小氮化硅與硅之間的應(yīng)力用熱生長(zhǎng)法形成6.注入緩沖層:用于減小注入損傷及減小溝道效應(yīng)用熱生長(zhǎng)法形成7.層間介質(zhì):用作金屬連線(xiàn)間的絕緣層用CVD方法形成氧化層應(yīng)用的典型厚度2.4氧化設(shè)備臥式高溫爐立式高溫爐立式爐系統(tǒng)高溫爐的組成1、工藝腔2、硅片傳輸系統(tǒng)3、氣體分配系統(tǒng)4、溫控系統(tǒng)5、尾氣系統(tǒng)2.5快速熱處理快速熱處理(RTP)是在非常短的時(shí)間內(nèi)(經(jīng)常是幾分之一秒)將單個(gè)硅片加熱至400℃~1300℃溫度范圍的過(guò)程。RTP的優(yōu)點(diǎn):
1.減少熱預(yù)算
2.硅中雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)最小
3.冷壁加熱減少沾污
4.腔體小氣氛潔凈
5.更短的加工時(shí)間RTP的應(yīng)用
1.注入退火以減小注入損傷和雜質(zhì)電激活
2.沉積氧化膜增密
3.硼磷
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